CN106570202A - 基于计算流体力学的风机优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风机技术领域，公开了一种基于计算流体力学的风机优化方法，包括获取目标值，所述目标值包括目标风量值和/或目标噪音值；获取风机的优化变量；形成与第一风机相对应的第一三维模型；对所述第一三维模型进行网格划分和指定模拟实验的边界条件；计算得到第一模拟值，所述第一模拟值包括第一模拟风量值和/或第一模拟噪音值；根据所述目标值判断所述第一模拟值是否符合要求；若是，将所述第一风机与所述优化变量相对应的结构尺寸值作为最终优化值输出。本发明还公开了一种相应的风机。本发明可以免去制作样品和样品测试的步骤，在节省时间和成本的同时保证风机的优化效果。

Description

基于计算流体力学的风机优化方法
技术领域
本发明涉及风机技术领域，尤其涉及基于计算流体力学的风机优化方法。
背景技术
作为风机中的一种，多翼离心风机是一种输运空气的叶轮机械,被广泛用于航空、汽车、空调、厨电等领域。多翼离心风机的性能参数有风量、噪音、全压等。不同场合下的多翼离心风机需要不同的性能参数。为得到具有特定性能参数的多翼离心风机，现行的设计的方法多是根据已有风机产品，利用相似原理修改已有产品的几何参数，然后打版进行测试，检验是否达到目标要求。
但是，由于这种传统的风机优化方法相当耗费时间和增加成本，特别是当未达到目标要求时，需要继续更改几何参数然后打版测试，直至达到目标要求为止。由此，上述的风机优化方法相当耗时耗力，且成本较高，因而往往不能满足厂家对开发周期和开发成本等的要求。为克服这些缺陷，对风机的优化方法进行了研制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是要提供一种基于计算流体力学的风机优化方法，它能够在缩短开发周期和减少开发成本的同时保证风机优化的效果。
本发明解决的技术问题所使用的技术方案，它包括：
获取目标值，所述目标值包括目标风量值和/或目标噪音值；
获取风机的优化变量；
形成与第一风机相对应的第一三维模型；
对所述第一三维模型进行网格划分和指定模拟实验的边界条件；
计算得到第一模拟值，所述第一模拟值包括第一模拟风量值和/或第一模拟噪音值；
根据所述目标值判断所述第一模拟值是否符合要求；
若是，将所述第一风机与所述优化变量相对应的结构尺寸值作为最终优化值输出；
若否，基于第一偏导数计算得到第二风机的结构尺寸值，所述第一偏导数基于所述第一模拟值和所述目标值获得；
形成与所述第二风机相对应的第二三维模型；
对所述第二三维模型进行网格划分和指定模拟实验的边界条件；
计算得到第二模拟值，所述第二模拟值包括第二模拟风量值和/或第二模拟噪音值；
根据所述目标值判断所述第二模拟值是否符合要求；
若是，将所述第二风机与所述优化变量相对应的结构尺寸值至作为最终优化值输出。
进一步地，所述计算得到第一模拟值，所述第一模拟值包括第一模拟风量值和/或第一模拟噪音值的步骤，包括：
通过定常计算，得到所述第一模拟风量值。
进一步地，所述根据所述目标值判断所述第一模拟值是否符合要求的步骤，包括：
判断所述第一模拟风量值是否大于等于所述目标风量值；
若否，则判断出所述第一模拟值不符合要求。
进一步地，在所述判断所述第一模拟风量值是否大于等于所述目标风量值的步骤之后，还包括：
若是，通过非定常计算和傅里叶变换得到所述第一模拟噪音值；
判断所述第一模拟噪音值是否小于等于所述目标噪音值；
若是，则判断出所述第一模拟值符合要求；
若否，则判断出所述第一模拟值不符合要求。
进一步地，在所述判断所述第一模拟风量值是否大于等于所述目标风量值的步骤之后，还包括：
若是，通过非定常计算和傅里叶变换得到所述第一模拟噪音值；
根据所述第一模拟噪音值和所述目标噪音值得到第一噪音偏导数、根据所述第一模拟风量值和所述目标风量值得到第一风量偏导数；
根据所述第一噪音偏导数和所述第一风量偏导数得到所述第一风机的尺寸修正值；
判断所述第一风机的尺寸修正值和所述第一风机的结构尺寸值的残差是否小于残差阈值；
若是，则判断出所述第一模拟值符合要求；
若否，则判断出所述第一模拟值不符合要求。
进一步地，在所述判断所述第一模拟风量值是否大于等于所述目标风量值的步骤之后，还包括：
若是，通过非定常计算和傅里叶变换得到所述第一模拟噪音值；
根据所述第一模拟噪音值和所述目标噪音值得到第一噪音偏导数、根据所述第一模拟风量值和所述目标风量值得到第一风量偏导数；
根据所述第一噪音偏导数和所述第一风量偏导数得到所述第一风机的尺寸修正值；
判断所述第一风机的尺寸修正值和所述第一风机的结构尺寸值的残差是否小于残差阈值，且所述第一模拟噪音值是否小于等于所述目标噪音值；
若是，则判断出所述第一模拟值符合要求；
若否，则判断出所述第一模拟值不符合要求。
进一步地，在所述若否，则判断出所述第一模拟值不符合要求的步骤之后，还包括：
基于所述第一偏导数计算得到所述第二风机的结构尺寸值，所述第一偏导数基于所述第一模拟值和所述目标值获得。
进一步地，在所述若否，则判断出所述第一模拟值不符合要求的步骤之后，还包括：
将所述第一风机是尺寸修正值确认为所述第二风机的结构尺寸值。
进一步地，所述优化变量包括蜗舌张开度、机壳厚度、蜗壳出口宽度与蜗舌间最小间隙、风轮内径、风轮外径、风轮叶片数目、风轮叶片进口角、风轮叶片出口角中的一项或多项。
本发明还提供一种风机，所述风机由上述的基于计算流体力学的风机优化方法优化得到。
进一步地，所述风机为多翼离心风机。
本发明同背景技术相比所产生的有益效果：由于本发明采用了通过计算流体力学的手段对风机模型进行反复试验和尺寸修正，以使最终获得满足风量和噪音要求的风机的技术方案，故可以免去制作样品和样品测试的步骤，在节省时间和成本的同时保证风机的优化效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明第一实施例的风机优化方法的流程示意图；
图2是本发明的风机优化方法的风机的优化变量的示意图1；
图3是本发明的风机优化方法的风机的优化变量的示意图2；
图4是本发明第二实施例的风机优化方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
第一实施例
如图1所示，本发明第一实施例的风机优化方法包括以下步骤：
步骤101，获取目标值，所述目标值包括目标风量值和/或目标噪音值。
本发明实施例中，由于风机优化的目标往往是增大风量或减小噪音，或在增加风量的同时较小噪音，因此在使用计算流体力学(下称CFD)的方法优化风机时，一般以目标风量值和/或目标噪音值作为目标值。具体地，当使用CFD相关软件优化风机时，在软件中设定目标风量值Q和/或目标噪音值Lw。
已知地，CFD(计算流体动力学)是以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。CFD方法现已被应用到各种不同的科研与工业领域中去。利用CFD方法，可以方便观测产品内部的流场状况并预测产品的流体特性。将这种技术应用到风机的设计中去，可以减少打版的次数，从而节省人力，减少成本消耗。
步骤102，获取风机的优化变量。
本发明实施例中，风机的优化变量为待优化的风机结构尺寸。其中，所述优化变量包括蜗舌张开度、机壳厚度、蜗壳出口宽度与蜗舌间最小间隙、风轮内径、风轮外径、风轮叶片数目、风轮叶片进口角、风轮叶片出口角中的一项或多项。而非优化变量在计算中将取为定值。
参见图2，在蜗壳中，A为蜗舌张开度、B为机壳厚度、C为蜗壳出口宽度与蜗舌间最小间隙d；参见图3，在风轮中，R1为风轮内径，R2为风轮外径、N为风轮叶片数目、β1A为风轮叶片进口角、为β2A风轮叶片出口角。
步骤103，形成与第一风机相对应的第一三维模型。
本发明实施例中，第一风机为待优化或待验证的风机原型。取该第一风机的结构尺寸，在CFD相关软件中形成相应的第一三维模型。
为便于下面的计算示例，可以将第一风机与优化变量相对应的结构尺寸表示为Pi，如当蜗舌间最小间隙d作为优化变量，则第一风机相应的P1＝d；又如取蜗壳出口宽度C、风轮叶片数目N、风轮叶片进口角β1A、风轮叶片出口角β2A作为优化变量，即取P2＝C，P3＝N，P4＝β1A，P5＝β2A。
步骤104，对所述第一三维模型进行网格划分和指定模拟实验的边界条件。
已知地，网格划分就是把模型分成很多小的单元。本发明实施例中，将第一三维模型分成很多小的单元是为了数值离散，以便于计算；而指定模拟实验的边界条件则是在既定的条件下对模型的运行进行实验。
步骤105，计算得到第一模拟值，所述第一模拟值包括第一模拟风量值和/或第一模拟噪音值。
本发明实施例中，经过计算可以得到第一模拟值，包括第一模拟风量值Qc和/或第一模拟噪音值Lwc。其中，若需要同时符合目标风量值Q和目标噪音值Lw的要求，可以同时计算Qc和Lwc,也可以先后计算Qc和Lwc。
步骤106，根据所述目标值判断所述第一模拟值是否符合要求。
本发明实施例中，当只需要满足符合目标风量值Q或目标噪音值Lw中的一项要求，判断相应的第一模拟值是否符合要求即可，如只需要满足目标风量值Q，则判断Qc是否大于等于Q；如需同时满足两个条件，则在判断Qc是否大于等于Q的同时还要判断其他条件是否满足要求。
步骤107，若是，将所述第一风机与所述优化变量相对应的结构尺寸值作为最终优化值输出。
本发明实施例中，当根据所述目标值判断出所述第一模拟值符合要求时，即第一风机的结构满足目标值的要求，此时将所述第一风机与所述优化变量相对应的结构尺寸值作为最终优化值输出，优化流程结束。
步骤108，若否，基于第一偏导数计算得到第二风机的结构尺寸值，所述第一偏导数基于所述第一模拟值和所述目标值获得。
本发明实施例中，当根据所述目标值判断出所述第一模拟值不符合要求时，即第一风机的结构不满足目标值的要求，此时需要修正第一风机的结构尺寸，形成第二风机的结构尺寸值，用第二风机进行相关优化实验。具体地，根据Qc和Q计算出第一偏导数值并根据偏导数值得到第二风机的结构尺寸值。
步骤109，形成与所述第二风机相对应的第二三维模型。
步骤110，对所述第二三维模型进行网格划分和指定模拟实验的边界条件。
步骤111，计算得到第二模拟值，所述第二模拟值包括第二模拟风量值和/或第二模拟噪音值。
步骤112，根据所述目标值判断所述第二模拟值是否符合要求。
步骤113，若是，将所述第二风机与所述优化变量相对应的结构尺寸值至作为最终优化值输出。
步骤109至步骤113与本实施例的步骤103至步骤107的方法相似，只是此次验证的模型为优化后的第二风机的第二三维模型。其中，若根据所述目标值判断所述第二模拟值仍不符合要求，则需要进一步修正第二风机的结构尺寸并进行实验计算。由此可见，本实施例是一个循环改进的过程，以使最终达到优化效果，其中，其优化程度也可以由用户掌握，以免不合理的目标值造成大量时间成本的浪费。
本实施例的基于计算流体力学的风机优化方法，通过计算流体力学的手段对风机模型进行反复试验和尺寸修正，以使最终获得满足风量和噪音要求的风机，实现了免去制作样品和样品测试的步骤，在节省时间和成本的同时保证风机的优化效果。
第二实施例
如图4所示，本发明第二实施例的风机优化方法包括以下步骤：
步骤201，获取目标值，所述目标值包括目标风量值和目标噪音值。
本发明实施例中，需要同时满足目标风量值和目标噪音值的要求。
步骤202，获取风机的优化变量。
步骤203，形成与第一风机相对应的第一三维模型。
步骤204，对所述第一三维模型进行网格划分和指定模拟实验的边界条件。
步骤201至步骤204与本发明第一实施例的基于计算流体力学的风机优化方法的相应步骤相同，此处步骤赘述。
步骤205，通过定常计算，得到所述第一模拟风量值。
本发明实施例中，由于第一模拟风量值Qc在时间上的精确度不是关键的，求解过程中的“时间步”并不需要具备物理上的精确性，因此使用定常基础，只需要最后获得收敛的Qc的定常解即可。当然，也可以使用非定常计算来求解Qc，但是耗费的时间要比定常计算多很多。
步骤206，判断所述第一模拟风量值是否大于等于所述目标风量值。
本发明实施例中，判断第一模拟风量值Qc是否大于等于目标风量值Q。
步骤207，若否，则判断出所述第一模拟值不符合要求，进入步骤214。
本发明实施例中，如Qc＜Q，说明第一风机的第一模拟风量值Qc不符合要求，此时需要进一步优化结构尺寸。
步骤208，若是，通过非定常计算和傅里叶变换得到所述第一模拟噪音值。
本发明实施例中，如Qc≥Q，即第一风机的第一模拟风量值Qc符合要求，则进一步验证第一模拟噪音值Lwc。具体为在第一三维模型中设置数个监控点，通过非定常计算得出监控点压力脉动，再经过傅里叶变换得到第一模拟噪音值Lwc。
步骤209，根据所述第一模拟噪音值和所述目标噪音值得到第一噪音偏导数、根据所述第一模拟风量值和所述目标风量值得到第一风量偏导数。
本发明实施例中，根据第一模拟噪音值Lwc和目标噪音值Lw计算得到第一噪音偏导数根据第一风量值Qc和目标风量值Q计算得到偏导数值
步骤210，根据所述第一噪音偏导数和所述第一风量偏导数得到所述第一风机的尺寸修正值。
本发明实施例中，根据第一噪音偏导数和第一风量偏导数得到所述第一风机的尺寸修正值P1’,P2’,P3’,…,Pm’。
步骤211，判断所述第一风机的尺寸修正值和所述第一风机的结构尺寸值的残差是否小于残差阈值，且所述第一模拟噪音值是否小于等于所述目标噪音值。
已知地，在数理统计中，残差是指实际观察值与估计值(拟合值)之间的差。本发明实施例中，按式(Eq-1)计算第一风机的尺寸修正值和第一风机的结构尺寸值的残差Res。
步骤212，若是，则判断出所述第一模拟值符合要求，进入步骤215。
步骤213，若否，则判断出所述第一模拟值不符合要求，进入步骤216。
作为本发明实施例的与另一种实施方式，可以在计算得到第一模拟噪音值Lwc后直接判断Lwc是否小于Lw，如Lwc≤Lw，则判断出所述第一模拟值符合要求，进入步骤215；或在计算得到第一风机的尺寸修正值和第一风机的结构尺寸值的残差后，判断残差Res是否小于残差阈值ε、Lwc是否小于Lw，如满足Res≤ε或Lwc≤Lw中的任一项，则判断出所述第一模拟值符合要求。
步骤214，基于所述第一偏导数计算得到所述第二风机的结构尺寸值，所述第一偏导数基于所述第一模拟值和所述目标值获得，进入步骤217。
步骤214与本发明第一实施例的基于计算流体力学的风机优化方法的步骤108相同，此处不再赘述。
步骤215，将所述第一风机与所述优化变量相对应的结构尺寸值作为最终优化值输出。
步骤216，将所述第一风机是尺寸修正值确认为所述第二风机的结构尺寸值，进入步骤217。
步骤217，形成与所述第二风机相对应的第一三维模型。
步骤218，对所述第二三维模型进行网格划分和指定模拟实验的边界条件。
步骤219，计算得到第二模拟值，所述第二模拟值包括第二模拟风量值和/或第二模拟噪音值。
步骤220，根据所述目标值判断所述第二模拟值是否符合要求。
步骤221，若是，将所述第二风机与所述优化变量相对应的结构尺寸值至作为最终优化值输出。
步骤217至步骤221与本发明第一实施例的基于计算流体力学的风机优化方法的相应步骤相同，此处步骤赘述。
本实施例的基于计算流体力学的风机优化方法，通过计算流体力学的手段对风机模型进行反复试验和尺寸修正，以使最终获得满足风量和噪音要求的风机，实现了免去制作样品和样品测试的步骤，在节省时间和成本的同时保证风机的优化效果。
上文对本发明的基于计算流体力学的风机优化方法的实施例作了详细介绍。下面将由上述方法所优化的装置(即风机)作进一步阐述。
第三实施例
一种风机，所述风机由上述的基于计算流体力学的风机优化方法优化得到。
进一步地，所述风机为多翼离心风机。
本实施例的多翼离心风机，通过计算流体力学的手段对风机模型进行反复试验和尺寸修正获得，并能够满足风量和噪音要求，实现了免去制作样品和样品测试的步骤，在节省时间和成本的同时保证风机的优化效果。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于计算流体力学的风机优化方法，其特征在于，包括：
获取目标值，所述目标值包括目标风量值和/或目标噪音值；
获取风机的优化变量；
形成与第一风机相对应的第一三维模型；
对所述第一三维模型进行网格划分和指定模拟实验的边界条件；
计算得到第一模拟值，所述第一模拟值包括第一模拟风量值和/或第一模拟噪音值；
根据所述目标值判断所述第一模拟值是否符合要求；
若是，将所述第一风机与所述优化变量相对应的结构尺寸值作为最终优化值输出；
若否，基于第一偏导数计算得到第二风机的结构尺寸值，所述第一偏导数基于所述第一模拟值和所述目标值获得；
形成与所述第二风机相对应的第二三维模型；
对所述第二三维模型进行网格划分和指定模拟实验的边界条件；
计算得到第二模拟值，所述第二模拟值包括第二模拟风量值和/或第二模拟噪音值；
根据所述目标值判断所述第二模拟值是否符合要求；
若是，将所述第二风机与所述优化变量相对应的结构尺寸值作为最终优化值输出。
2.根据权利要求1所述的基于计算流体力学的风机优化方法，其特征在于，所述计算得到第一模拟值，所述第一模拟值包括第一模拟风量值和/或第一模拟噪音值的步骤，包括：
通过定常计算，得到所述第一模拟风量值。
3.根据权利要求2所述的基于计算流体力学的风机优化方法，其特征在于，所述根据所述目标值判断所述第一模拟值是否符合要求的步骤，包括：
判断所述第一模拟风量值是否大于等于所述目标风量值；
若否，则判断出所述第一模拟值不符合要求。
4.根据权利要求3所述的基于计算流体力学的风机优化方法，其特征在于，在所述判断所述第一模拟风量值是否大于等于所述目标风量值的步骤之后，还包括：
若是，通过非定常计算和傅里叶变换得到所述第一模拟噪音值；
判断所述第一模拟噪音值是否小于等于所述目标噪音值；
若是，则判断出所述第一模拟值符合要求；
若否，则判断出所述第一模拟值不符合要求。
5.根据权利要求3所述的基于计算流体力学的风机优化方法，其特征在于，在所述判断所述第一模拟风量值是否大于等于所述目标风量值的步骤之后，还包括：
若是，通过非定常计算和傅里叶变换得到所述第一模拟噪音值；
根据所述第一模拟噪音值和所述目标噪音值得到第一噪音偏导数、根据所述第一模拟风量值和所述目标风量值得到第一风量偏导数；
根据所述第一噪音偏导数和所述第一风量偏导数得到所述第一风机的尺寸修正值；
判断所述第一风机的尺寸修正值和所述第一风机的结构尺寸值的残差是否小于残差阈值；
若是，则判断出所述第一模拟值符合要求；
若否，则判断出所述第一模拟值不符合要求。
6.根据权利要求3所述的基于计算流体力学的风机优化方法，其特征在于，在所述判断所述第一模拟风量值是否大于等于所述目标风量值的步骤之后，还包括：
若是，通过非定常计算和傅里叶变换得到所述第一模拟噪音值；
根据所述第一模拟噪音值和所述目标噪音值得到第一噪音偏导数、根据所述第一模拟风量值和所述目标风量值得到第一风量偏导数；
根据所述第一噪音偏导数和所述第一风量偏导数得到所述第一风机的尺寸修正值；
判断所述第一风机的尺寸修正值和所述第一风机的结构尺寸值的残差是否小于残差阈值，且所述第一模拟噪音值是否小于等于所述目标噪音值；
若是，则判断出所述第一模拟值符合要求；
若否，则判断出所述第一模拟值不符合要求。
7.根据权利要求3所述的基于计算流体力学的风机优化方法，其特征在于，在所述若否，则判断出所述第一模拟值不符合要求的步骤之后，还包括：
基于所述第一偏导数计算得到所述第二风机的结构尺寸值，所述第一偏导数基于所述第一模拟值和所述目标值获得。
8.根据权利要求5或6所述的基于计算流体力学的风机优化方法，其特征在于，在所述若否，则判断出所述第一模拟值不符合要求的步骤之后，还包括：
将所述第一风机是尺寸修正值确认为所述第二风机的结构尺寸值。
9.根据权利要求1所述的基于计算流体力学的风机优化方法，其特征在于，所述优化变量包括蜗舌张开度、机壳厚度、蜗壳出口宽度与蜗舌间最小间隙、风轮内径、风轮外径、风轮叶片数目、风轮叶片进口角、风轮叶片出口角中的一项或多项。
10.一种风机，其特征在于，所述风机由权利要求1-9中任一项所述的基于计算流体力学的风机优化方法优化得到。
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